O que é um encoder?
Os encoders de posição são encontrados em uma ampla gama de aplicações e indústrias, e apresentam diversos conceitos técnicos e terminologia.
Este artigo explica os encoders de posição em termos simples: aborda descrições do que é um encoder, os diferentes tipos de encoder, como funcionam e onde são utilizados.
O que é um encoder?
Um encoder é um dispositivo eletromecânico que converte informações de um formato ou código para outro. Um encoder de posição, como os fabricados pela Renishaw, converte movimento linear ou rotativo em um sinal elétrico que fornece informações sobre posição, velocidade e direção do movimento.
Os encoders de posição podem empregar uma variedade de diferentes tecnologias de detecção: A Renishaw é especializada em sistemas de encoders ópticos, indutivos e a laser. A RLS, uma empresa associada da Renishaw, é especializada em encoders magnéticos.
O que é um encoder óptico e como funciona?
Os encoder ópticos são dispositivos que utilizam uma fonte de luz e um fotodetector que se movem em relação às linhas da escala para produzir um sinal elétrico. Esse sinal pode ser lido por um dispositivo de controle (ou comando) dentro de um sistema de controle de movimento. A Renishaw possui mais de trinta anos de experiência em projetos, fabricação e suporte de encoders ópticos de alto desempenho.
Um encoder óptico consiste em dois componentes: a escala e o cabeçote de leitura.
1: Cabeçote de leitura 2: Escala
A escala de encoder
As escalas dos encoder ópticos são marcadas com linhas escuras paralelas, muito semelhantes às marcações de uma régua convencional. Essas linhas, frequentemente chamadas de graduações, são "lidas" por um sistema óptico dentro do cabeçote de leitura para criar sinais elétricos ou imagens para processamento posterior. As linhas são posicionadas com exatidão no material da escala para garantir o desempenho adequado das medições do sistema.
As escalas de encoder ópticos podem assumir diversas formas, como escalas lineares flexíveis, escalas lineares rígidas, discos e anéis. Essas diferentes formas permitem a medição e o controle de diferentes tipos de movimento, como movimento linear, rotação completa, rotação parcial em arco ou uma combinação desses movimentos.
As escalas de encoder óptico devem ser estáveis e robustas, sendo geralmente fabricadas com materiais como aço inoxidável ou vidro.
O cabeçote de leitura de encoder
O cabeçote de leitura contém um sistema óptico e componentes eletrônicos que geram um sinal de saída elétrico que descreve a posição e a direção do movimento do cabeçote em relação à escala.
Por meio de processamento de sinal e interpolação digital, os encoders ópticos podem detectar movimentos com precisão de até um bilionésimo de metro (1 nm).
Um nanômetro é o raio de uma hélice de DNA, a largura de duas moléculas de glicose ou o comprimento de onda de um raio X.
Tipos de encoders ópticos
Encoders abertos
Um encoder óptico aberto possui uma escala e um cabeçote de leitura separados por um pequeno espaço, conhecido como altura de deslocamento, e é configurado para medir movimentos lineares, rotativos ou de arco parcial. Seu projeto sem contato oferece a vantagem de zero atrito e ausência de desgaste mecânico ou histerese.
Encoders blindados
Em sistemas de encoders blindados, a escala e o cabeçote de leitura são montados em um invólucro selado que protege o encoder da contaminação por detritos sólidos e da entrada de fluidos em ambientes agressivos. Por exemplo, os encoders blindados são usados normalmente em máquinas-ferramenta, onde são importantes a elevada exatidão e a resistência à contaminação por detritos de usinagem e fluidos de corte.
Movimento
Os encoders ópticos podem medir movimentos de diversas formas, dependendo do tipo e da estrutura do movimento da máquina que está sendo medido.
Linear
Os encoders lineares indicam a posição ao longo de uma linha reta e são usados para os eixos X, Y ou Z, como em uma máquina de medição por coordenadas cartesianas (CMM).
Rotativo
Os encoders rotativos indicam a posição angular de uma peça rotativa por meio de uma escala em forma de anel ou disco. Esses encoders permitem o controle do movimento rotativo, como em uma mesa giratória ou nas articulações de um robô.
Arco parcial
Algumas escalas de encoders lineares são flexíveis e podem ser enroladas em torno de um tambor, eixo ou superfície curva de uma máquina para permitir o controle de movimentos rotativos de menos de uma volta completa.
Quais são as diferenças entre encoders absolutos e encoders incrementais?
Os encoders incrementais só conseguem detectar movimento em relação à sua posição atual ou a uma característica de referência conhecida – o sinal de posição de saída incrementa ou decrementa (dependendo da direção) a posição em uma contagem de cada vez, conforme o cabeçote de leitura se move em relação à escala.
Os encoders absolutos decodificam imediatamente sua posição atual sem a necessidade de qualquer movimento.
Uma diferença fundamental entre o comportamento dos encoders incrementais e absolutos reside na forma como reagem à perda de energia. Se um encoder absoluto perder energia, o cabeçote de leitura ainda será capaz de reportar corretamente sua posição atual quando a energia for restaurada, mesmo que tenha se movido durante a queda de energia. Os encoders incrementais perdem suas informações de posição durante uma queda de energia e é necessário que sua posição de referência seja readquirida quando a energia for restabelecida.
Outra distinção fundamental está relacionada à comunicação: os encoders absolutos apresentam comunicação serial bidirecional entre o comando e o cabeçote de leitura, enquanto os encoders incrementais fornecem comunicação unidirecional por meio de sinais analógicos ou digitais do cabeçote de leitura para o comando.
Posição incremental
As linhas em uma escala incremental são dispostas em um padrão paralelo simples e uniformemente espaçado, como uma régua sem números. Durante o procedimento de início, é detectada uma posição de referência através da leitura de uma marca de referência incorporada na escala incremental. A referência é um único ponto fixo em qualquer lugar ao longo do eixo de medição, que é usado como ponto de referência da máquina e às vezes é descrito como a posição "inicial". Todas as informações de posição são relativas a esta referência.
Um encoder incremental normalmente envia suas informações de posição na forma de duas ondas analógicas defasadas em 90 graus entre si, como uma onda senoidal e uma onda cosseno, ou como dois sinais digitais separados por 90 graus, conhecidos como em quadratura. Esses sinais são interpretados pelo comando para calcular a magnitude e a direção do movimento ao longo da escala do encoder.
A escala do encoder incremental pode ser fabricada em comprimentos longos para grandes instalações ou cortada sob medida para se adequar a qualquer comprimento de eixo.
1: Direção da contagem decrescente, 2: Posição de referência, 3: Marca de referência, 4: Posição do comando = número de contagens a partir da referência, 5: Direção da contagem crescente, 6: Alteração incremental na contagem
Posição absoluta
Em um sistema de encoder absoluto, informações de posição específicas são codificadas em todas as seções da escala, como uma régua com números. Essas posições específicas são definidas por conjuntos de linhas paralelas, com algumas linhas faltando, de forma semelhante a um código de barras. Esse padrão não repetitivo permite que o cabeçote de leitura encontre sua posição imediatamente após o início.
O comando solicitará periodicamente informações de posição do cabeçote de leitura, que então captura uma imagem da escala e decodifica a imagem em uma posição específica, a qual é então relatada de volta ao comando por meio de um protocolo de comunicação serial.
Existe uma variedade de protocolos de comunicação padrão da indústria, frequentemente associados a fabricantes específicos de comandos de máquinas.
As escalas absolutas dependem de padrões curtos e únicos (ou palavras) de linhas e espaços para identificar a posição. Como essas palavras possuem um número finito de arranjos possíveis, as escalas dos encoders absolutos terão um comprimento máximo de medição. No caso do sistema de encoder absoluto RESOLUTE™ da Renishaw, esse comprimento máximo de medição é 21 metros.
1: Direção da posição decrescente, 2: Posição de referência, 3: Posição do comando = posição do cabeçote de leitura - deslocamento numérico, 4: Direção da posição crescente, 5: Posição absoluta, 6: Deslocamento numérico da posição de referência, 7: Posição "Zero"
Onde eu usaria um encoder incremental?
Os encoders incrementais são utilizados em uma grande variedade de aplicações de controle de movimento, como automação industrial, máquinas de medição por coordenadas (MMCs) e equipamentos de fabricação de semicondutores. Os encoders incrementais permitem medições de posição exatas com alta resolução e velocidades de escaneamento elevadas.
Onde eu usaria um encoder absoluto?
Os encoders absolutos são ideais para máquinas que precisam manter as informações de posição mesmo após queda de energia. As aplicações incluem robôs cirúrgicos e máquinas onde os ciclos de retorno à posição inicial para uma marca de referência fixa não são desejáveis.
Onde são utilizados os encoders ópticos?
Os encoders ópticos são dispositivos versáteis de medição de posição usados em uma ampla gama de aplicações para medir e controlar movimentos lineares ou rotativos.
Eles são utilizados em diversos setores e aplicações, como metrologia, fabricação de semicondutores, robótica, automação, máquinas-ferramenta e pesquisa científica.
O que é um encoder indutivo?
Um encoder absoluto indutivo é um tipo de sensor de posição que usa indução eletromagnética para medir a posição ou o movimento de um eixo.
Os encoders indutivos oferecem robustez, resistência à contaminação, imunidade a campos magnéticos externos e boa exatidão.
As aplicações incluem cardans, equipamentos médicos, automação geral, veículos aéreos não tripulados (VANTs), robôs e servomotores.
Para mais informações, visite a página da Renishaw sobre encoders indutivos.
O que é um encoder magnético?
Os sistemas de encoders magnéticos utilizam uma escala magnetizada com uma série de polos magnéticos alternados. O movimento ao longo da escala é determinado por um cabeçote de leitura que contém um sensor que detecta a mudança no campo magnético à medida que o cabeçote se move e converte essa mudança em um sinal elétrico.
Os encoders magnéticos são frequentemente usados em robótica (como veículos autônomos) e em aplicações de impressão.
Para saber mais sobre sistemas de encoders magnéticos, visite o site da RLS.
O que é um encoder laser?
Os sistemas de encoders laser utilizam o comprimento de onda da luz laser como unidade de medida, detectando a diferença no percurso entre um caminho de referência fixo e um caminho de medição variável. Os encoders laser proporcionam medição de posição de elevada exatidão com fina resolução.
Os encoders laser são frequentemente usados na indústria aeroespacial e naval, bem como em outras aplicações especializadas.
Para mais informações, visite as páginas da Renishaw sobre encoders laser.
Assista ao nosso webinar sob demanda.
O webinar de introdução aos sistemas de encoders tem como objetivo descrever, em termos simples, o que um encoder faz.
Ele explicará a função da escala e do cabeçote de leitura, os diferentes tipos de encoders disponíveis, como funcionam e onde são utilizados.
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